Gupta, Shulabh (2012) Dispersion Engineered Real-Time Analog Signal Processing Components and Systems. Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal.
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Résumé
Résumé
Avec la demande croissante pour une plus grande efficacité
d’utilisation du spectre de fréquences et l’émergence de systèmes à
bande ultra large (UWB) qui en découle, l’analyse d’environnements RF en
temps réel est devenue d’une importance capitale. Traditionnellement,
ceci est fait en utilisant des techniques d’analyse des signaux en temps
réel basées soit sur une approche digitale, soit sur une approche
analogique. Les appareils digitaux sont plus attrayants aux basses
fréquences à cause de leur grande flexibilité, de leur taille compacte,
de leur faible coût et de leur grande fiabilité. Par contre, aux plus
hautes fréquences, notamment aux fréquences micro-ondes, les appareils
digitaux ont des problèmes fondamentaux tels des performances faibles,
un coût élevé des convertisseurs A/D et D/A et une consommation de
puissance excessive. À ces fréquences, des appareils et systèmes
analogiques sont requis pour des applications d’analyse des signaux en
temps réel. À cause de leur mode d’opération fondamentalement
analogique, ces systèmes sont appel´es analyseurs analogiques de
signaux, et l’opération qu’ils effectuent est appelée analyse analogique
de signaux (ASP). Cette thèse présente les plus récentes avancées au
niveau des ASP. Le concept d’ASP est introduit au chapitre 1. La
contribution de cette thèse au domaine des ASP est également présentée
au chapitre 1. Le cœur d’un analyseur analogique de signaux en temps
réel est une structure de délai dispersive (DDS). Dans une structure
dispersive, la vélocité de groupe vg est une fonction de la fréquence,
ce qui cause une dépendance en fréquence du délai de groupe. Par
conséquent, un signal à large bande qui se propage le long d’une telle
structure est sujet à un espacement dans le temps puisque ses
différentes composantes spectrales voyagent avec différentes vitesses de
groupes, et sont donc réarrangées dans le temps. En exploitant ce
réarrangement temporel, les différentes composantes spectrales d’un
signal à large bande peuvent être directement transposées dans le
domaine temporel et peuvent alors être analysées en temps réel pour
diverses applications. Ce concept, qui constitue le fondement des
techniques ASP, est décrit au chapitre 2. En se basant sur ces principes
de dispersion, le présent travail contribue au développement de
nouveaux systèmes et composantes ASP ainsi qu’au développement de
nouvelles DDS
Abstract
With the ever increasing demand on
higher spectral efficiencies and the related emergence of ultra-wideband
(UWB) systems, monitoring RF environments in real-time has become of
paramount interest. This is traditionally done using real-time signal
processing techniques based on either digital or analog approaches.
Digital devices are most attractive at low frequencies due to their high
flexibility, compact size, low cost, and strong reliability. However,
at higher frequencies, such as millimeter-wave frequencies, digital
devices suffer of fundamental issues, such as poor performance, high
cost for A/D and D/A converters, and excessive power consumption. At
such frequencies, analog devices and systems are required for real-time
signal processing applications. Owing to their fundamentally analog mode
of operation, these systems are referred to as Analog Signal
Processors, and the operation as Analog Signal Processing (ASP). This
dissertation presents the most recent advances in these ASP concepts
which are introduced in Chapter 1 along with the contribution of this
thesis in this domain. The core of an analog real-time signal processor
is a dispersive delay structure (DDS). In a dispersive structure, the
group velocity vg is a function of frequency, which results in a
frequency-dependent group delay. Consequently, a wide-band signal
traveling along such a structure experiences time spreading, since its
different spectral components travel with different group velocities and
are therefore temporally rearranged. By exploiting this temporal
rearrangement, the various spectral components of a wideband signal can
be directly mapped onto time domain and can then be processed in
real-time for various applications. This concept is described in Chapter
2 which forms the background of ASP techniques.
Based on these dispersion principles, this work contributes to the
development of novel ASP systems and devices along with the developments
of novel DDSs. Two types of DDSs are used in this work: a) Composite
Right/Left-Handed (CRLH) transmission lines (TL), and b) all-pass
dispersive structures. In particular, the all-pass dispersive delay
networks are investigated in greater details based on C-section all-pass
networks in various configurations along with novel synthesis
procedures and electromagnetic analysis to synthesize arbitrary group
delay responses of the DDSs.
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